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Kontaminationen im Trinkwasser - Trinkwassersysteme: Schnell handeln in der Krise

Kontaminationen im TrinkwasserTrinkwassersysteme: Schnell handeln in der Krise

Web-basierte Plattform zur Datenanalyse und Kontaminationserkennung. Wie sicher sind Trinkwasseranlagen und -systeme gegenüber beabsichtigten und unbeabsichtigten gesundheitsgefährdenden Kontaminationen? Welche Methoden gibt es zur Vorbeugung und zur zeitnahen Detektion von solchen Kontaminationen? In einem deutsch-französischen Projekt wurden und werden neuartige Tools zur (echtzeitfähigen) Datenanalyse bei Wasserversorgern entwickelt.

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Erkennen von Kontaminationen in Trinkwassernetzen

Eine jederzeit verfügbare und qualitativ hochwertige Trinkwasserversorgung ist in Deutschland und in Europa Stand der Technik. Die technischen Prozesse von Rohwassergewinnung, Trinkwasseraufbereitung bis hin zur Trinkwasserverteilung sind überwiegend erprobt, ausgereift und optimiert. Alle Versorgungsunternehmen kennen sowohl die Standardprozesse als auch ihre eigenen spezifischen Besonderheiten, wofür sie spezielle Lösungen entwickelt haben. Auch die zukünftige Versorgungssicherheit ist bei den Unternehmen auf der Agenda und wird in ausreichender Detailtiefe bearbeitet. Wie sicher sind aber die Trinkwasseranlagen und -Systeme gegenüber beabsichtigten und unbeabsichtigten gesundheitsgefährdenden Kontaminationen? Welche Methoden gibt es zur Vorbeugung und zur zeitnahen Detektion von solchen Kontaminationen? Und wie schnell können die Versorgungsunternehmen reagieren bzw. Gegenmaßnahmen zum Schutz der Gesundheit der Bevölkerung einleiten?

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Trinkwasserverteilungssysteme sind kritische Infrastrukturen und haben eine direkte Auswirkung auf die Gesundheit der Bevölkerung. Sie sind somit gegen die Risiken einer beabsichtigten oder unbeabsichtigten Kontamination ganz besonders zu schützen. Mit diesen Zielstellungen wurde das deutsch-französische Forschungsvorhaben SMaRT- OnlineWDN von 2012–2015 durchgeführt [1]. Beteiligt waren Wasserversorger der Städte Berlin (BWB), Straßburg (CUS) und eines Teils von Paris (VEDIF), Industriepartner (3S Consult) und Forschungspartner (Technologiezentrum Wasser TZW, Fraunhofer IOSB, IRSTEA und ENGEES). Im aktuell laufenden Forschungsprojekt ResiWater (2015–2018) werden weitere Konzepte zur Erhöhung der Resilienz der Trinkwasserinfrastrukturen untersucht und prototypisch realisiert (u.a. Schutz der IT der Wasserversorger) [2].

Aktueller Stand der Datenanalyse bei Wasserversorgern
Mittels einer leistungsfähigen Auswertung von Sensordaten können kritische Zustände der Wasserqualität schnell erkannt werden. Auch zum schnellen Erkennen von kritischen Betriebszuständen des Netzes (z.B. ungünstige Druckzustände im Netz; Früherkennung von Leckagen) werden leistungsfähige Tools zur echtzeitfähigen Datenanalyse benötigt.

Prinzip von spektroskopischen Sensoren

Aktuell verfügen nur wenige Wasserversorger über leistungsfähige Tools zur echtzeitfähigen Datenanalyse von Sensordaten. Das Erkennen kritischer Zustände der Wasserqualität oder von kritischen Betriebszuständen erfolgt derzeit durch einfache Schwellwert-Algorithmen. Die Auswertung von konstanten Schwellwerten wird jedoch vielen Problemstellungen nicht gerecht, denn oft müssen verschiedene Parameter miteinander verknüpft werden; außerdem können Schwellwerte häufig nicht als konstant angesehen werden. So hängt beispielsweise der „Normalwert“ der Leitfähigkeit von der Wasserquelle ab. Darüber hinaus verfügen nur die großen Wasserversorger über ein leistungsfähiges SCADA-System, welches Mess- daten sammelt und von dem aus Stelleingriffe im Netz automatisch erfolgen können (SCADA: System for Control and Data Acquisition).

Die kleineren Wasserversorger verfügen oftmals nicht über eine zentrale Leitwarte. Hier wird das Wassernetz über lokale Automatisierungsstationen gesteuert. Neuartige, funkbasierte Sensor-Technologien erlauben es heute auch kleinen Wasserversorgern, Sensoren zur Messung von Wasserqualitätsparametern, Durchfluss oder Druck im Trinkwassernetz zu installieren und die Daten kostengünstig, z.B. in einer sicheren Cloud, zu speichern.

Online-Sensoren zur Überwachung der Wasserqualität
Die Überwachung der Wasserqualität erfolgt in der Regel mit den Parametern pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Trübung, Sauerstoffgehalt, SAK254 (spektraler Absorptionskoeffizient), Färbung, Redoxpotenzial und ggf. auch freies Chlor. Dabei handelt es sich um robuste und erprobte Parameter, die seit Jahrzehnten verwendet werden.

Dashboard zur Überwachung der Trinkwasserqualität

Darüber hinaus gibt es seit einigen Jahren auch spektroskopische Sonden, die die Absorption und/oder Fluoreszenz des Trinkwassers über einen großen Wellenlängenbereich messen. Mit dieser Technik können nicht nur traditionelle optische Parameter wie der SAK254 und SAK436 erfasst werden, sondern auch eine Reihe weiterer Parameter, wie der TOC/DOC (gesamter und gelöster organischer Kohlenstoff), Chlorophyll, Nitrat und Biopolymere (Protein- bzw. Bakterienfluoreszenz). In Bezug auf die Detektion von Kontaminationen besitzen spektroskopische Sensoren den Vorteil, dass sie empfindlich auf Veränderungen in der Zusammensetzung der Wassermatrix reagieren. Viele Kontaminationen führen zu einer Veränderung im Spektrum, auch wenn sie möglicherweise gar nicht optisch aktiv sind. Zum Beispiel führen Schwermetalle (fluoreszieren nicht) zu einer Abnahme der Fluoreszenz der normalen organischen Wassermatrix.

Veränderungen im Spektrum können leicht detektiert werden, indem ein großer Wellenlängenbereich (von UV bis in den sichtbaren Bereich) aufgenommen wird. Im Rahmen des Projekts ResiWater werden zwei verschiedene Sensoren eingesetzt und deren Leistungsfähig- keit bei den im Projekt beteiligten Wasserversorgungsunternehmen untersucht: (1) Sensor spectrolyser (Firma Scan; Messprinzip Absorption), (2) Sensor FluoSens (Firma bbe Moldaenke; Messprinzip Fluoreszenz).

Die Auswertung der Spektraldaten erfolgt in der Regel durch die Software der Gerätehersteller, so dass auf Basis der Spektren Konzentrationen direkt berechnet werden (DOC, Nitrat, etc.). Der Anwender selbst arbeitet nur mit den ausgegebenen Konzentrationen und muss sich nicht mit den Rohdaten (Spektren) beschäftigen. Im Rahmen des Projekts ResiWater werden sowohl die berechneten Konzentrationen als auch die Spektraldaten mit der Web-basierten Plattform des Fraunhofer IOSB analysiert, um einen maximalen Informationsgewinn zu erzielen. Das Prinzip ist in Bild 2 verdeutlicht.

Plot zur Visualisierung der Sensordaten

Web-basierte Plattform zur Datenanalyse
Vor diesem Hintergrund wurde im Projekt ResiWater am Fraunhofer IOSB eine Web-basierte Plattform entwickelt, die es ermöglicht, Daten aus unterschiedlichen Quellen in Echtzeit einzulesen und zu verarbeiten. Die Datenquellen können Cloud-Lösungen sein, Datenbanken (z.B. SQL, Oracle, MongoDB), SCADA-Systeme (Anbindung z.B. über OPC oder OPC-UA) oder CSV- oder XML-Dateien, welche zyklisch, z.B. alle 15 min, von einem Datenserver (FTPS-Server) eingelesen werden. Die Web-basierte Plattform sammelt und speichert alle relevanten Messdaten und Betriebszustände. In der Plattform sind verschiedene Algorithmen zur Datenanalyse bis hin zu leistungsfähigen maschinellen Lernverfahren implementiert. Basierend auf historischen Daten können „normale“ Betriebs- bzw. Wasserqualitätszustände automatisch angelernt werden.

Das Ergebnis des Lernprozesses wird gespeichert und zusammen mit aktuellen Mess- daten dazu verwendet „unnormale“ Betriebs- bzw. Wasserqualitätszustände rasch zu erkennen. In diesem Fall werden die Netzbetreiber per E-Mail oder SMS automatisch informiert. Ebenfalls automatisiert wird ein aussagekräftiger Report erstellt, der die aktuellen Mess- daten enthält sowie Hinweise, warum der Zustand des Systems als kritisch eingestuft wurde. Der Anwender kann sich anschließend in die Plattform einloggen, um die Situation zu bewerten; dazu stehen verschiedene vorkonfigurierte Diagramme zur Verfügung (z.B. historische Plots der Zeitreihen oder statis-tische Auswertungen). Die Visualisierung ist auch über mobile Endgeräte möglich (Smartphone, Tablet).

Schnelle Übersicht für Endanwender
Die Besonderheit der Plattform liegt darin, dass sie für Endanwender konzipiert wurde und einfach zu bedienen ist. Die Lern- und Auswertealgorithmen sowie die automatisch generierten Plots werden vom Betreiber der Plattform (Fraunhofer IOSB) konfiguriert. Der Anwender erhält über ein Dashboard eine schnelle Übersicht, ob alle überwachten Wasserqualitäts-Stationen bzw. Betriebszustände sich in einem normalen Zustand befinden. Die Plattform ist modular erweiterbar. Neue Auswertungen und Analysenverfahren können in einfacher Weise als neues Software-Modul („Plugin“) ergänzt werden.

Im Rahmen des Projekts ResiWater wird die Plattform zur Überwachung der Wasserqualitätsdaten der Berliner Wasserbetriebe, der Wasserversorgung in Straßburg sowie des Pariser Wassernetzes SEDIF eingesetzt und weiterentwickelt. Ein beispielhaftes Ergebnis der Anwendung der Web-basierten Plattform zur Überwachung der Trinkwasserqualität in einem realen Wasserwerk ist in Bild 3 und Bild 4 gezeigt: In Bild 3 ist das Dashbord zu sehen: Von den neun überwachten Messstationen befinden sich fast alle in einem normalen Zustand (grüner Balken), bei einer Messstation wurde eine Anomalie entdeckt (roter Balken). Im Diagramm in Bild 4 sind die entsprechenden Messdaten über 365 Tage gezeigt. Das maschinelle Lernverfahren überwacht alle fünf Parameter (Trübung, Sauerstoff, Leitfähigkeit, Redox-Potential, pH-Wert) zusammen. Es werden daher auch unnormale Kombinationen von Werten der fünf Sensoren erkannt. Rot markiert in Bild 4 ist die entdeckte Anomalie. Es wurde eine unzulässige Absenkung des Redox-Potentials sowie des pH-Werts festgestellt.

Fazit
Die am Fraunhofer IOSB realisierte Web-basierte Plattform ermöglicht es Wasserversorgern, Daten aus unterschiedlichen Quellen zu sammeln und in Echtzeit zu visualisieren und mit leistungsfähigen Algorithmen auszuwerten. So können kritische Betriebszustände oder Wasserqualitätszustände schnell erkannt und automatisiert an den Wasserversorger gemeldet werden. Im Rahmen des Projekts ResiWater wird die Plattform zur Überwachung der Wasserqualitätsdaten der Berliner Wasserbetriebe, der Wasserversorgung in Straßburg sowie des Pariser Wassernetzes SEDIF erfolgreich eingesetzt. Darüber hinaus erfolgt die Bewertung des Potenzials spektroskopischer Sensoren, die ebenfalls in die Plattform integriert werden können. Der Einsatz der Plattform bei weiteren Wasserversorgern ist in Vorbereitung.

Förderung
Die Projekte SmaRT-OnlineWDN und ResiWater wurden bzw. werden gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Förderkennzeichen 13N12180 (SmaRT-OnlineWDN) bzw. 13N13688 (ResiWater).

Literatur

[1] SMaRT OnlineWDN: SMaRT-OnlineWDN: Online Security Managementsystem für Trinkwasserversorgungsnetze. Förderkennzeichen: 13N12180, Websseite http://www.smart-onlinewdn.eu
[2] ResiWater: Innovative, sichere Sensornetzwerke und modellgestützte Bewertungs- und Analyse-Tools zur Erhöhung der Resilienz von Trinkwasserinfrastrukturen; Förderkennzeichen: 13N13688; Webseite: http://www.resiwater.eu

AUTOREN
Dr. Thomas Bernard und Dr. Christian Kühnert, Fraunhofer IOSB, Karlsruhe
Fereshte Sedehizade, Enrique Campbell, Berliner Wasserbetriebe
Dr. Martin Wagner, Technologiezentrum Wasser Außenstelle Dresden
Kontakt:
Dr. Thomas Bernard
E-Mail: thomas.bernard@iosb.fraunhofer.de

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